Sewage Sludge Electro-Dewatering

Original sludge from wastewater treatment plants (WWTPs) usually has a poor dewaterability. Conventionally, mechanical dewatering methods are used to increase the dry solids (DS) content of the sludge. However, sludge dewatering is an important economic factor in the operation of WWTPs, high water content in the final sludge cake is commonly related to an increase in transport and disposal costs. Electro‐dewatering could be a potential technique to reduce the water content of the final sludge cake, but the parameters affecting the performance of electro‐dewatering and the quality of the resulting sludge cake, as well as removed water, are not sufficiently well known. In this research, non‐pressure and pressure‐driven experiments were set up to investigate the effect of various parameters and experimental strategies on electro‐dewatering. Migration behaviour of organic compounds and metals was also studied. Application of electrical field significantly improved the dewatering performance in comparison to experiments without electric field. Electro‐dewatering increased the DS content of the sludge from 15% to 40 % in non‐pressure applications and from 8% to 41% in pressure‐driven applications. DS contents were significantly higher than typically obtained with mechanical dewatering techniques in wastewater treatment plant. The better performance of the pressure‐driven dewatering was associated to a higher current density at the beginning and higher electric field strength later on in the experiments. The applied voltage was one of the major parameters affecting dewatering time, water removal rate and DS content of the sludge cake. By decreasing the sludge loading rate, higher electrical field strength was established between the electrodes, which has a positive effect on an increase in DS content of the final sludge cake. However interrupted voltage application had anegative impact on dewatering in this study, probably because the off‐times were too long. Other factors affecting dewatering performance were associated to the original sludge characteristics and sludge conditioning. Anaerobic digestion of the sludge with high pH buffering capacity, polymer addition and freeze/thaw conditioning had a positive impact on dewatering. The impact of pH on electro‐dewatering was related to the surface charge of the particles measured as zeta‐potential. One of the differences between electro‐dewatering and mechanical dewatering technologies is that electro‐dewatering actively removes ionic compounds from the sludge. In this study, dissolution and migration of organic compounds (such as shortchain fatty acids), macro metals (Na, K, Ca, Mg, Fe) and trace metals (Ni, Mn, Zn, Cr) was investigated. The migration of the metals depended on the fractionation and electrical field strength. These compounds may have both negative and positive impacts on the reuse and recycling of the sludge and removed water. Based on the experimental results of this study, electro‐dewatering process can be optimized in terms of dewatering time, desired DS content, power consumption and chemical usage.

Kirkkaasta sameaan : Meren kuormitus ja tila Saaristomerellä ja Ahvenanmaalla

Tässä raportissa tarkastellaan Saaristomeren ja Ahvenmaan merialueen kuormitusta ja tilaa ja niissä viime vuosikymmeninä tapahtuneita muutoksia vuosiin 2008 ja 2009 saakka. Pääpaino on ravinnekuormituksessa ja veden laadussa, mutta mukana on taustatietoa ja muun muassa katsaus kalakannoista. Saaristomeren ja Ahvenanmaan merialueen tila on heikentynyt huomattavasti viimeisten vuosikymmenten aikana. Erityisesti fosforin ja a-klorofyllin määrät ovat kasvaneet ja näkösyvyys pienenentynyt. Viimeisen kymmenen vuoden aikana pintaveden fosforipitoisuuden kasvu on laantunut suurimmassa osassa aluetta, mutta pohjanläheisessä vesikerroksessa ja talvella fosforipitoisuus on jatkanut kasvuaan monin paikoin viime vuosiin asti. Myös a-klorofyllin määrä on lisääntynyt ulko- ja välisaaristossa 2000-luvullakin. Viime vuosina klorofyllipitoisuuden kasvu on kuitenkin laantunut tai pitoisuus laskenut varsinkin rannikonläheisissä vesissä. Merialueen suurin paikallinen ravinnekuormittaja on maatalous, mutta varsinkin typpeä tulee runsaasti myös ilmalaskeumana. Sisäinen kuormitus ja virtausten mukana Suomenlahdelta ja muualta Itämereltä tulevat ravinteet heikentävät niin ikään merialueen tilaa. Muita ravinnelähteitä ovat mm. haja-asutus, jätevedenpuhdistamot ja kalankasvatus. Ahvenanmaan merialueelle ravinteita tulee enemmän muualta kuin Ahvenanmaalta. Hajakuormituksessa on tapahtunut viime vuosikymmeninä selviä vuodenaikaisia muutoksia. Vuosina 1990 – 2009 jokien mereen tuoma ravinne- ja kiintoainekuormitus on ollut talvisin ja syksyisin selvästi suurempaa kuin vuosina 1970 – 1989. Talviaikaisen kuormituksen lisääntyminen johtuu aiempaa lauhemmista talvista, ja antaa viitteitä ilmastonmuutoksen mukanaan tuomista muutoksista. Vaikka Saaristomeren ja Ahvenanmaan merialueen tilassa on ollut viime aikoina nähtävissä myönteisiäkin merkkejä, on niiden tila edelleen huolestuttava. Ainoa keino merialueen tilan parantamiseksi on kuormituksen huomattava vähentäminen. Vähentäminen koskee niin paikallisia ravinnelähteitä, erityisesti maataloutta, kuin muualta Itämereltä virtausten mukana tulevia ravinteita ja ilmalaskeumaa.

Current status of the waste-to-energy chain in the County of North Savo, Finland

The aim of this report is to describe the current status of the waste-to-energy chain in the province of Northern Savonia in Finland. This work is part of the Baltic Sea Region Programme project Remowe-Regional Mobilizing of Sustainable Waste-to-Energy Production (2009-2012). Partnering regions across Baltic Sea countries have parallelly investigated the current status, bottle-necks and needs for development in their regions. Information about the current status is crucial for the further work within the Remowe project, e.g. in investigating the possible future status in target regions. Ultimate result from the Northern Savonia point of view will be a regional model which utilizes all available information and facilitates decision-making concerning energy utilization of waste. The report contains information on among others: - waste management system (sources, amounts, infrastructure) - energy system (use, supply, infrastructure) - administrative structure and legislation - actors and stakeholders in the waste-to-energy field, including interest and development ideas The current status of the regions will be compared in a separate Remowe report, with the focus on finding best practices that could be transferred among the regions. In this report, the current status has been defined as 2006-2009. In 2009, the municipal waste amount per capita was 479 kg/inhabitant in Finland. Industrial waste amounted 3550 kg/inhabitant, respectively. The potential bioenergy from biodegradable waste amounts 1 MWh/inhabitant in Northern Savonia. This figure includes animal manure, crops that would be suitable for energy use, sludge from municipal sewage treatment plants and separately collected biowaste. A key strategy influencing also to Remowe work is the waste plan for Eastern Finland. Currently there operate two digestion plants in Northern Savonia: Lehtoniemi municipal sewage treatment sludge digestion plant of Kuopion Vesi and the farm-scale research biogas plant of Agrifood Research Finland in Maaninka. Moreover, landfill gas is collected to energy use from Heinälamminrinne waste management centre and Silmäsuo closed landfill site, both belonging to Jätekukko Oy. Currently there is no thermal utilization of waste in Northern Savonia region. However, Jätekukko Oy is pretreating mixed waste and delivering refuse derived fuel (RDF) to Southern Finland to combustion. There is a strong willingness among seven regional waste management companies in Eastern Finland to build a waste incineration plant to Riikinneva waste management centre near city of Varkaus. The plant would use circulating fluidized bed (CFB) boiler. This would been a clear boost in waste-to-energy utilization in Northern Savonia and in many surrounding regions.

Kompostipiireissä opittua : Eloperäiset jätteet kiertoon -hanke

Kompostien käyttöä on kokeiltu ja tutkittu Kainuun ELY-keskuksen Eloperäiset jätteet kiertoon -hankkeessa. Komposteja on hyödynnetty laskettelurinteen ja kaivosteollisuuden sivukiven läjitysalueen maisemoinnissa, pihanurmen ja energiakasvien kasvattamisessa, metsän lannoittamisessa ja maanviljelyssä. Pihanurmen perustamisen ja energiakasvien kasvattamisen kokeiluista on tehty myös erilliset tutkimukset. Tutkimustyöstä on vastannut MTT (Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskus). Tutkimustieto on sisällytetty tähän julkaisuun. Kompostin käyttökokeissa ja tutkimuksissa on hyödynnetty Kainuun kuntien ja Kainuun jätehuollon kuntayhtymän Eko-Kympin komposteja. Kaikki kompostit ovat aumakompostoinnin tuotoksia. Eko-Kympin komposti on valmistettu biojätteistä. Muut kompostit ovat lähtöisin kunnallisten jätevedenpuhdistamoiden lietteistä. Kajaanin kompostia kutsutaan myös A. & E. Juntunen Oy:n valmistamaksi biomullaksi. Saatujen kokemusten ja tutkimusten mukaan aumakompostoinnilla tuotettu komposti soveltuu näihin erilaisiin käyttömuotoihin, etenkin kun esille tulleita kehittämistoimia toteutetaan. Sivukiven läjitysalueiden maisemoinnissa, maanviljelyssä ja metsän lannoittamisessa komposti ei tarvitse kivennäismaata seosaineeksi. Sivukiven läjitysalueilla ne kompostit, joihin oli sekoitettu hiekkaa, eivät pysyneet paikoillaan. Aines valui sadeveden mukana alas rinteeltä. Pelkkää kompostia käytettäessä kompostimassa pysyi aloillaan. Maanviljelyssä ja metsän lannoittamisessa kivennäismaa on tarpeeton. Lisäksi kompostissa oleva kiviaines kuluttaa ja voi vaurioittaa levityslaitteita. Ravinteet vapautuvat kompostista hitaasti kasvien käyttöön. Kemiallisilla lannoitteilla on nopeampi vaikutus. Kompostit soveltuvat erityisen hyvin ympäristöihin, joissa täydennyslannoitusta ei tarvita tai joissa lannoite on vaikeaa levittää. Tällaisia kohteita ovat esimerkiksi kaivosten sivukiven tai rikastushiekan läjitysalueet tai muut vaikeakulkuiset kohteet. Myös metsien lannoittaminen ja maanviljely ovat Kainuussa kompostien hyödyntämisen osalta alihyödynnettyjä. Pöyry Finland Oy on laatinut Kajaaniin kaavaillulle biologiselle jätteiden käsittelylaitokselle teknistaloudelliset suunnitelmat. Yhtiön tekemissä suunnitelmissa tulee ilmi, että kaikkien Kainuun lietteiden aumakompostointi tuottaisi kompostia 13 000 tonnia vuodessa, kun tukiaine seulotaan erilleen. Mädätys- tai biokaasulaitosvaihtoehdoissa lopputuotteen määrä on edellistä pienempi. Pelkkien Kainuun lietteiden mädättäminen tuottaisi kompostia jälkikompostin seulonnan jälkeen 6 600 tonnia. Viherrakentaminen taajamissa on komposteille Kainuussa yleinen käyttömuoto. Sillä on kasvun edellytyksiä etenkin, kun kompostin laatuun panostetaan. Viherrakentaminen Kajaanin seudulla riittäisi kuluttamaan kaiken Kainuussa muodostuvan kompostin, kun kompostimullan kulutuksena pidetään 0,5 tonnia asukasta kohden vuodessa. Tämä vastaa Kajaanin seudulla 27 000 tonnin kompostimäärää. Kompostin muodostumismäärä ei tulevaisuudessa tule olemaan lähellä tätä laskennallista multamenekkiä. Kompostin huono menekki johtuu joidenkin kuntien osalta pikemminkin huonosta kompostin laadusta kuin markkinoiden kyllästymisestä. Tilanne on korjaantumassa suunnitteilla olevan biologisen jätteiden käsittelylaitoksen myötä. Siinä kompostituotteen laatuun voidaan panostaa tehokkaammin kuin erillisillä pienillä kompostointikentillä.

Identification and application of bile metabolites to assess the exposure of fish to pharmaceuticals in the environment

Thousands of tons of pharmaceuticals are consumed yearly worldwide. Due to the continuous and increasing consumption and their incomplete elimination in wastewater treatment plants (WWTP), pharmaceuticals and their metabolites can be detected in receiving waters, although at low concentrations (ng to low μg/L). As bioactive molecules the presence of pharmaceuticals in the aquatic environment must be considered potentially hazardous for the aquatic organisms. In this thesis, the biotransformation and excretion of pharmaceuticals in fish was studied. The main biotransformation pathways of three anti‐inflammatory drugs, diclofenac, naproxen and ibuprofen, in rainbow trout were glucuronidation and taurine conjugation of the parent compounds and their phase I metabolites. The same metabolites were present in fish bile in aquatic exposures as in fish dosed with intraperitoneal injection. Higher bioconcentration factor in bile (BCFbile) was found for ibuprofen when compared to diclofenac and naproxen. Laboratory exposure studies were followed by a study of uptake of pharmaceuticals in a wild fish population living in lake contaminated with WWTP effluents. Of the analyzed 17 pharmaceuticals and six phase I metabolites, only diclofenac, naproxen and ibuprofen was present in bream and roach bile. It was shown, that diclofenac, naproxen and ibuprofen excreted by the liver can be found in rainbow trout and in two native fish species living in the receiving waters. In the bream and roach bile, the concentrations of diclofenac, naproxen and ibuprofen were roughly 1000 times higher than those found in the lake water, while in the laboratory exposures, the bioconcentration of the compounds and their metabolites in rainbow trout bile were at the same level as in wild fish or an order of magnitude higher. Thus, the parent compounds and their metabolites in fish bile can be used as a reliable biomarker to monitor the exposure of fish to environmental pharmaceuticals present in water receiving discharges from WWTPs.

Käänteisosmoosin esikäsittelymenetelmät

Käänteisosmoosisuodatusta käytetään erityisesti teollisuuden jätevesien loppupuhdistuksessa. Suodatuksen ongelmana on kalvojen likaantuminen ja tukkiutuminen. Tässä työssä on aiempia tutkimuksia hyväksikäyttäen tutkittu käänteisosmoosiin tulevan veden esikäsittelemistä niin, että kalvojen likaantumiselta vältyttäisiin. Menetelmien vertailussa on käytetty erilaisia veden laadusta kertovia parametreja. Ongelmallisimmiksi aineksiksi huomattiin orgaaninen aines ja jotkin veteen liuenneet ionit. Kiintoaineen erottaminen ei ole ollut suuri ongelma, sillä sen saa poistettua tavallisesti käytetyillä rakeissuodatuksella, laskeutuksella, flotaatiolla ja kalvosuodatuksella. Orgaanista ainesta on saatu erotettua erityisesti hapettamalla, aktiivilieteprosessilla ja biologisella aktiivihiilisuodattimella. Mikro- ja ultrasuodatusta käytetään usein juuri ennen käänteisosmoosia poistamaan erityisesti kolloidista materiaalia ja joitain liuenneita ioneja. Flokkien muodostaminen koagulaatiossa ja flokkulaatiossa parantaa lähes kaikkien menetelmien toimivuutta selvästi. Veden puhdistuksessa käytetyt kemikaalit voivat myös liika-annosteltuina liata kalvoja. Vesien pitoisuuksissa eri ainesten osalta on huomattavia eroja, joten puhdistettava vesi on hyvä analysoida etukäteen parhaiden käsittelymenetelmien valitsemiseksi.

Potential utilization ways of recovered chemical products from digestate

The study evaluates the potential application of chemical substances, obtained from biogas plants` by-products. Through the anaerobic digestion process with biogas the large amount of digestate is produced. This digestate mainly consists on the organic matter with the high concentration of nutrients such as nitrogen and phosphorus. During ammonia stripping and phosphorus precipitation the products- ammonia water, ammonium sulfate, ammonium nitrate, ferrous phosphate, aluminum phosphate, calcium phosphate and struvite can be recovered. These chemicals have potential application in different industrial sectors. According to Finnish market and chemicals properties, the most perspective industrial applications were determined. Based on the data, obtained through the literature review and market study, the ammonia water was recognized as a most perspective recovered substances. According to interview provided among Finnish companies, ammonia water is used for flue gas treatment in SNCR technology. This application has a large scale in the framework of Finnish industrial sectors. As well nitrogen with phosphorous can be used as a source of nutrients in the biological wastewater treatment plants of paper mills.

Talousvesilaitoksen saostusvaiheen tehostaminen esihapetuksella – Case Suomen Sokeri Oy:n vedenkäsittely

Diplomityö tehtiin Suomen Sokeri Oy:n vesilaitokselle Vihreän Kemian laboratoriossa. Prosessia tarkasteltiin saostuksen osalta ja tavoitteena oli sen kehittäminen esihapetusmenetelmän tai saostuskemikaalin vaihdon avulla. Tarkastelu tehtiin orgaanisen, kiintoaineksen ja metallien poiston, desinfiointitehon sekä ympäristöystävällisyyden osalta. Potentiaalisia esihapetusmenetelmiä (kaliumpermanganaatti, vetyperoksidi, valokemiallinen, H2O2/UV, valokatalyyttinen, TiO2/UV, H2O2/ultraääni sekä esihapetus peretikkahapolla) tarkasteltiin eri pitoisuuksilla ja tehoilla laboratoriomittakaavassa jar-testin avulla. Saostustehoa testattiin alumiinikloridilla ja ferrisulfaatilla. Raakaveden laadun muutoksia eri vaiheissa seurattiin laboratorioanalyysein. Hapetusmenetelmien desinfiointiteho, vaikutukset syanobakteereihin ja -toksiineihin sekä reaktioissa syntyvät sivutuotteet kartoitettiin teorian perusteella. Työn tuloksien perusteella kaliumpermanganatti, vetyperoksidi erityisesti kehittyneenä hapetustekniikkana sekä valokatalyyttinen menetelmä tehostivat vedenkäsittelyä, mutta koska TiO2/UV- tai ultraäänihapetukselle ei ole vielä olemassa kaupallista sovellusta laitosmittakaavassa niin suositeltavat menetelmät ovat KMnO4- ja H2O2(/UV)-hapetukset jatkotutkimussuositukset huomioiden. Peretikkahappo ei tämän tutkimuksen perusteella vaikuttanut suositeltavalta hapetusmenetelmältä, mutta sen sijaan teorian perusteella potentiaaliselta desinfektioaineelta myös talousvedenpuhdistukseen. Opinnäytetyötä eri hapetusmenetelmien osalta talousvedelle ei ole aiemmin tehty eikä peretikkahappohapetuksesta ole laajalti aiempaa tutkimustietoa. Kokeellisen osuuden tulokset antavat uutta tietoa menetelmien soveltuvuudesta vastaaville laitoksille.

Suspension esikäsittelyn vaikutus kiintoaineen laskeutumisnopeuteen

Laskeutus on yksinkertainen ja teollisuudessa paljon käytetty erotusmenetelmä. Laskeutusta käytetään yleisimmin metalliteollisuudessa ja jätevesienkäsittelyssä. Laskeuttimen erotustehokkuutta voidaan parantaa esikäsittelemällä laskeutettavaa suspensiota. Laskeutusta on tutkittu hyvin laajasti teollisuudessa, koska laskeutus on menetelmänä helposti toteutettava ja energiatehokas. Työn kirjallisuusosassa käsitellään perusteet kiintoaineen laskeutumisesta fluidissa, tutustutaan laskeuttimiin ja esitellään suspension esikäsittelymenetelmät. Työn kokeellisessaosassa tutkitaan esikäsittelymenetelmien vaikutusta kalsiumkarbonaattilietteen laskeutumisnopeuteen. Tutkittavia esikäsittelymenetelmiä työn kokeellisessaosassa ovat flokkulaatio, lämpötilan ja pH:n muuttaminen. Laskeutuskokeet suoritettiin tilavuusosuudella 10 % olevalla kalsiumkarbonaattilietteellä. Tutkimuksen tarkoituksena oli tutkia tutkittavien esikäsittelymenetelmien vaikutusta lietteen laskeutumisnopeuteen ja löytää optimiolosuhteet työssä käytettävän kalsiumkarbonaattilietteen laskeutumisessa. Koetuloksista havaitaan, että flokkulaatio ja lämpötilan muuttaminen vaikuttavat tehoikkaimmin lietteen laskeutumisnopeuteen. Flokkulaatio ja lämpötilan kohottaminen lisäävät huomattavasti kiintoaineen laskeutumista. Lisätutkimusta tarvitaan laajemmalta pH alueelta optimiolosuhteiden löytämiseksi. Lisäksi jatkotutkimuksia eri flokkulanteilla tarvitaan lisää, jotta voidaan löytää paras flokkulantti laskeutumisprosessin tehostamiseksi.

Kunnossapidon tunnusluvut jätevedenpuhdistamolla

Jätevedenpuhdistamoiden toiminnan on oltava entistä luotettavampaa ja vaatimukset kasvavat jatkuvasti. Siksi myös kunnossapidon kehittäminen on tärkeää, jotta kasvaviin vaatimuksiin voidaan vastata. Tutkimuksen tavoitteena on löytää Viikinmäen jätevedenpuhdistamon kunnossapidon toimintaa kuvaavia kunnossapidon tunnuslukuja. Tunnusluvuilla tarkoitetaan toiminnan tehokkuutta ja laatua mittaavia tunnuslukuja. Niitä voidaan käyttää muun muassa kunnossapidon suunnittelu- ja kehitystyön tukena. Kunnossapidon tunnuslukujen määrittämiseksi, ja oman toiminnan kehittämiseksi kunnossapidon nykytila on tunnettava hyvin. Tutkimuksessa perehdyttiin kunnossapidon nykytilaan Viikinmäen jätevedenpuhdistamolla. Kunnossapitojärjestelmästä kerättyä tietoa analysoitiin nykytilan selvittämiseksi. Lisäksi toteutettiin vierailu neljään case-kohteeseen. Vierailuilla perehdyttiin kohteiden kunnossapidon toimintaan ja tunnuslukuihin. Vierailujen avulla haluttiin saada uutta näkökulmaa kunnossapitotoimintaan. Tutkimuksessa esitetään ehdotus mittaristosta, joka sisältää tunnuslukuja kunnossapidon kustannusten, resurssien ja laadun seurantaan. Tunnuslukujen valintaan ei ole olemassa yhtä oikeaa tapaa, eikä yhtenäistä mallia, minkä perusteella valinnat tehdään. Tunnuslukujen valintaan vaikuttaa mitattavan prosessin luonne ja omat tavoitteet. Tunnuslukuja varten on tehty erillinen Excel-taulukko, johon tiedot voidaan syöttää. Taulukosta saadaan valmiit kuvaajat säännöllistä raportointia varten. Kunnossapidon tilaa analysoitaessa havaittiin puhdistamon kunnossapidon olevan pääosin hyvällä tasolla. Esille nousi myös kehityskohteita, joiden seuraamista varten ehdotetaan uusia tunnuslukuja. Kunnossapitojärjestelmän käyttö on aktiivista ja sitä kautta saadaan tunnuslukuja varten luotettavaa tietoa.

Perfluorattuja yhdisteitä sisältävien jätevesien puhdistus- ja analyysimenetelmät

Perfluoratut alkyyliyhdisteet eli PFAS-yhdisteet ovat synteettisiä orgaanisia yhdisteitä, joissa on fluorattu hiiliketju. Hiilen ja fluorin väliset vahvat sidokset ovat muodostuneet ongelmaksi jätevedenpuhdistamoilla, sillä yhdisteet eivät hajoa puhdistamoilla käytössä olevilla vedenpuhdistusmenetelmillä. Yhdisteitä kertyy luontoon jätevesien mukana. Kandidaatintyössä on vertailtu yhdisteitä sisältävien vesien käsittelymenetelmiä parhaiten soveltuvan menetelmän löytämiseksi. Menetelmien kustannuksia tai soveltuvuutta vedenpuhdistamomittakaavan prosessiksi ei ole arvioitu. Lisäksi työssä on koottu yhdisteitä sisältävien jätevesien analysointiin sopivia analyysimenetelmiä. Soveltuvat puhdistus- ja analyysimenetelmät on esitelty uusien tieteellisten artikkelien pohjalta. Mahdollisia erotusmenetelmiä ovat membraanierotus ja sorptio. Membraaneista soveltuvimpia ovat nanosuodatus- ja käänteisosmoosimembraanit, joilla erottuvat jopa 0,0001 μm:n kokoiset partikkelit. PFAS-yhdisteet voidaan erottaa sorptiolla muun muassa aktiivihiileen. Yhdisteiden rakenne hajoaa nykyaikaisilla hapetusmenetelmillä ja polttamalla lietteen mukana. Hapettaminen permanganaatin avulla ei tuottanut hyvää tulosta, mutta fotokemiallisella hapetuksella ja alhaisen lämpötilan plasmatekniikalla (NTP) yhdisteiden rakenne hajosi lähes kokonaan. Fotokemiallinen hapetus onnistui erityisesti perfluorokarboksyylihapoilla, joiden rakenne hajosi jopa kolmessa tunnissa. Yleisimmin käytetty analyysimenetelmä on nestekromatografin ja massaspektrometrin yhdistelmä (LC-MS/MS) ja matriisivaikutus minimoidaan tyypillisesti kiinteäfaasiuutolla (SPE). Työssä esitellyistä käsittelymenetelmistä parhaiten soveltuva on NTP-menetelmä, koska sillä saatiin tutkimusten mukaan hajotettua yhdisteiden rakenne muita menetelmiä lyhyemmässä ajassa ja se soveltuu parhaiten kaikille PFAS-yhdisteille. NTP-menetelmässä ei tarvita katalyyttiä tai lisäkemikaaleja. Voimakkaana hapettimena toimivat epästabiilit hydroksyyliradikaalit, jotka syntyvät koronapurkauksen kautta. Koronapurkauksessa muodostuu myös otsonia ja lisäksi vapaa happi voi tehostaa hapettumista. Menetelmässä muodostuvien hajoamistuotteiden hallinta vaatii lisätutkimusta. Mahdollinen hallintakeino voisi olla esimerkiksi hapettumisessa vapautuvien fluoridi-ionien saostaminen. Muodostuvien hajoamistuotteiden toksisuutta voitaisiin tarkkailla biosensorilla.

Kartoitus Kaakkois-Suomen jätelietteistä, lietteen tuottajista ja käsittelymenetelmistä

In this thesis the sludge of Southeastern-Finland, the companies which produce sludge and the current methods and those still in development have been surveyed. 85 % of the waste sludge from industry comes from forest industries. The sludge from municipal waste water treatment plants is mostly used as a raw material for bioplants. The sludge from forest industry is mostly incinerated. New circulation methods increase the recycling value of the waste by creating new products but they still lack a full-scale plant. The political pressure from Europe and the politics driven by the government of Finland will drive circular economy forward and thus uplifting the processing options of waste slurries. This work is divided in two parts, first contains the survey and the second contains the experimental part and the operational methods based on the survey. In the experimental part wet hard sheet waste sludge was de-watered with shaking filter and the applications for waste sludge from cellulose factory were considered. The results are, that the wet hard sheet waste sludge can be dewatered to high enough total solids content for the inteded use. Also, the cellulose waste sludge has too high Cd content in almost all of the batches to be used as a land improment.

Wastewater Treatment of Diesel Power Plant

Diplomityön tavoitteena on selvittää Wärtsilän dieselvoimalaitosten jätevedenkäsittelyn vallitseva tila. Tutkimuksessa keskitytään raskaspolttoöljykäyttöisiin voimalaitoksiin. Työssä selvitetään yleisimmät dieselvoimalaitosten jätevesille asetetut vaatimukset. Selvitys tehdään keräämälläja tutkimalla dieselvoimalaitosten jätevesille sovellettuja standardeja. Työssä selvitetään myös dieselvoimalaitokselta ulostulevan jäteveden laatu sekä nykyisen jätevedenkäsittelyjärjestelmän toiminta. Selvitys tehdään keräämällä ja tutkimalla yrityksen sisäisiä tietoja, sekä ottamalla ja analysoimalla jätevesinäytteitä. Näytteiden otto ja analysointi toteutetaan vierailemallakahdessa voimalaitoksessa sekä yhdessä muussa kohteessa. Jäteveden laatu ennen ja jälkeen käsittelyn määritetään. Myös öljynjalostusteollisuuden jätevedenkäsittelyä tarkastellaan kirjallisuuteen pohjautuen. Tarkastelun tavoitteena on hankkia tietoa jätevedenkäsittelystä kohteissa, joissa jäteveden laatu vastaa dieselvoimalaitoksella syntyvää jätevettä. Vertailun vuoksi myös öljynjalostusteollisuudelle asetetuttuja jätevesistandardeja tutkitaan. Lisäksi työssä tutkitaan myös joitakin muita jätevedenkäsittelymenetelmiä. Diplomityön tuloksena määritetään dieselvoimalaitosten jätevedenkäsittelyn tulevaisuuden haasteet ja mahdollisuudet.

Modified nano- and microcellulose based adsorption materials in water treatment

In recent decades, industrial activity growth and increasing water usage worldwide have led to the release of various pollutants, such as toxic heavy metals and nutrients, into the aquatic environment. Modified nanocellulose and microcellulose-based adsorption materials have the potential to remove these contaminants from aqueous solutions. The present research consisted of the preparation of five different nano/microcellulose-based adsorbents, their characterization, the study of adsorption kinetics and isotherms, the determination of adsorption mechanisms, and an evaluation of adsorbents’ regeneration properties. The same well known reactions and modification methods that were used for modifying conventional cellulose also worked for microfibrillated cellulose (MFC). The use of succinic anhydride modified mercerized nanocellulose, and aminosilane and hydroxyapatite modified nanostructured MFC for the removal of heavy metals from aqueous solutions exhibited promising results. Aminosilane, epoxy and hydroxyapatite modified MFC could be used as a promising alternative for H2S removal from aqueous solutions. In addition, new knowledge about the adsorption properties of carbonated hydroxyapatite modified MFC as multifunctional adsorbent for the removal of both cations and anions ions from water was obtained. The maghemite nanoparticles (Fe3O4) modified MFC was found to be a highly promising adsorbent for the removal of As(V) from aqueous solutions due to its magnetic properties, high surface area, and high adsorption capacity . The maximum removal efficiencies of each adsorbent were studied in batch mode. The results of adsorption kinetics indicated very fast removal rates for all the studied pollutants. Modeling of adsorption isotherms and adsorption kinetics using various theoretical models provided information about the adsorbent’s surface properties and the adsorption mechanisms. This knowledge is important for instance, in designing water treatment units/plants. Furthermore, the correspondence between the theory behind the model and properties of the adsorbent as well as adsorption mechanisms were also discussed. On the whole, both the experimental results and theoretical considerations supported the potential applicability of the studied nano/microcellulose-based adsorbents in water treatment applications.

Biogas production in regional integrated biodegradable waste treatment – Possibilities for improving energy performance and reducing GHG emissions

The greatest threat that the biodegradable waste causes on the environment is the methane produced in landfills by the decomposition of this waste. The Landfill Directive (1999/31/EC) aims to reduce the landfilling of biodegradable waste. In Finland, 31% of biodegradable municipal waste ended up into landfills in 2012. The pressure of reducing disposing into landfills is greatly increased by the forthcoming landfill ban on biodegradable waste in Finland. There is a need to discuss the need for increasing the utilization of biodegradable waste in regional renewable energy production to utilize the waste in a way that allows the best possibilities to reduce GHG emissions. The objectives of the thesis are: (1) to find important factors affecting renewable energy recovery possibilities from biodegradable waste, (2) to determine the main factors affecting the GHG balance of biogas production system and how to improve it and (3) to find ways to define energy performance of biogas production systems and what affects it. According to the thesis, the most important factors affecting the regional renewable energy possibilities from biodegradable waste are: the amount of available feedstock, properties of feedstock, selected utilization technologies, demand of energy and material products and the economic situation of utilizing the feedstocks. The biogas production by anaerobic digestion was seen as the main technology for utilizing biodegradable waste in agriculturally dense areas. The main reason for this is that manure was seen as the main feedstock, and it can be best utilized with anaerobic digestion, which can produce renewable energy while maintaining the spreading of nutrients on arable land. Biogas plants should be located close to the heat demand that would be enough to receive the produced heat also in the summer months and located close to the agricultural area where the digestate could be utilized. Another option for biogas use is to upgrade it to biomethane, which would require a location close to the natural gas grid. The most attractive masses for biogas production are municipal and industrial biodegradable waste because of gate fees the plant receives from them can provide over 80% of the income. On the other hand, directing gate fee masses for small-scale biogas plants could make dispersed biogas production more economical. In addition, the combustion of dry agricultural waste such as straw would provide a greater energy amount than utilizing them by anaerobic digestion. The complete energy performance assessment of biogas production system requires the use of more than one system boundary. These can then be used in calculating output–input ratios of biogas production, biogas plant, biogas utilization and biogas production system, which can be used to analyze different parts of the biogas production chain. At the moment, it is difficult to compare different biogas plants since there is a wide variation of definitions for energy performance of biogas production. A more consistent way of analyzing energy performance would allow comparing biogas plants with each other and other recovery systems and finding possible locations for further improvement. Both from the GHG emission balance and energy performance point of view, the energy consumption at the biogas plant was the most significant factor. Renewable energy use to fulfil the parasitic energy demand at the plant would be the most efficient way to reduce the GHG emissions at the plant. The GHG emission reductions could be increased by upgrading biogas to biomethane and displacing natural gas or petrol use in cars when compared to biogas CHP production. The emission reductions from displacing mineral fertilizers with digestate were seen less significant, and the greater N2O emissions from spreading digestate might surpass the emission reductions from displacing mineral fertilizers.